一种改进的沥青混合料车辙实验装置及实验方法

本发明属于道路工程技术领域，特别是一种改进的沥青混合料车辙实验装置及实验方法。

背景技术：

车辙是我国沥青路面最主要的病害之一，沥青路面车辙现象的出现会给车辆的出行带来许多的不便和危害，主要体现为：1.沥青路面车辙会影响路面的平整度，造成行车颠簸，影响行车的舒适性；2.沥青路面车辙会引发或加剧裂缝、泛油等一系列次生病害，降低沥青路面的使用寿命和服务水平；3.沥青路面车辙会使车辆在行驶过程中变换车道或超车容易出现方向失控的现象，尤其是在降雨天气，车辙变形区域容易积水，更加不利于行车安全。

考虑到车辙所带来的一系列危害，在沥青路面设计过程中，必须对沥青混合料的抗车辙性能进行评价。然而沥青混合料是一种典型的粘弹性材料，其物理力学性能随着外界环境和荷载作用的改变而改变，因而，沥青混合料抗车辙性能的评价十分复杂。我国主要依照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程jtge20-2011》t0719的要求评价混合料的抗车辙性能，但传统的试验方法存在一系列的缺陷，并不能真实地反映夏季路面实际的受力状态和工作状态，比如：1.传统车辙试验方法仅仅考虑了轮载的竖向压力作用，却忽视了轮胎与路面的水平摩擦阻力作用；2.传统车辙试验方法在动稳定度较大时测试结果误差较大，因此对改性沥青混合料适应性不好；3.传统车辙试验方法评价指标单一，仅考虑了混合料流动阶段的变形，却忽略了压密阶段的变形。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种改进的沥青混合料车辙实验装置及实验方法，该改进的沥青混合料车辙实验方法，力求能更真实地模拟沥青路面车辙的产生过程，并增强车辙试验对改性沥青混合料的适应性，为沥青混合料设计和高温性能评价提供更为合理的参考。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种车辙试验仪，包括水平滑动轨道、能够沿着水平滑动导轨平移的滑块、与试验轮的轮轴连接的固定基座、加装在固定基座上的车速传感器、试验车辙板，固定基座通过支撑柱固定在滑块的底部，所述试验轮在试验车辙板上行走；所述车速传感器用来感测试验轮的前进速度，还包括电动机箱、线性永磁制动装置；所述电动机箱加装在固定基座上，所述电动机箱内置电动机，所述电动机转动时，带动试验轮沿着水平滑动导轨转动；所述线性永磁制动装置加装在水平滑动导轨上，所述线性永磁制动装置在水平滑动导轨上平移，所述线性永磁制动装置在水平滑动导轨上的水平摩擦阻力为试验轮在沥青混合料上的水平摩擦阻力。

作为本发明的进一步的优选方案，所述车速传感器的的速度测量精度不低于1mm/s。

作为本发明的进一步的优选方案，所述试验轮与沥青混合料的接触压强为0.7mpa±0.05mpa。

本发明基于上述所提出的任意一种车辙试验仪实，还提出一种改进的沥青混合料车辙实验方法，本方法包括如下试验步骤：

步骤1、试验前的准备工作：拟定试验方案、调试车辙试验仪以及准备试件；

步骤2、设置试验环境：拟定设置沥青混合料设计温度t1、车辙试验实际温度t2；

步骤3、开始试验：

试件保温：将试件和试模放入温度为t2的恒温室中保温，保温时间为5h-12h，在试件和试验轮不行走的部位粘贴热偶温度计，所述热偶温度计用于监控试件温度，控制试件温度稳定在t2±0.5℃；

启动试验：将试件和试模一起固定在车辙试验仪的试验台上，试验轮在试件中央行走，且试验轮的行走方向与试件的碾压方向一致，启动车辙试验仪，电动机驱动实验轮往返行走，线性永磁制动器提供水平阻力，并开动车辙变形自动记录仪记录车辙变形曲线；

步骤4、计算试验数据：计算沥青混合料的动稳定度，并计算沥青混合料变形曲线第一拐点处的车辙变形。

作为本发明的进一步的优选方案，在所述步骤1中的拟定试验方案中，将试验轮的单次碾压设置为加速、匀速和减速3个阶段，规定匀速阶段的试验轮行驶速度为v，试验轮在沥青混合料上的水平摩擦阻力为f；

作为本发明的进一步的优选方案，在所述步骤1的调试车辙试验仪中，首先，测定试验轮与沥青混合料的接触压强，并对车辙试验仪进行荷载校验，启动车辙试验仪试压，要求车辙试验仪的试验轮的行驶速度与拟定的试验方案中的试验轮行驶速度一致。

作为本发明的进一步的优选方案，所述步骤2中的拟定设置沥青混合料设计温度t1，具体步骤如下：

根据目标公路所在地的30年内日最高气温的平均值得到目标公路所在地的大气温度的设计值，由于目标公路所在地的大气温度向目标公路所在地的路面温度转换，将目标公路所在地的路面分为上面层、中面层和下面层，令上面层的温度为t上，中面层的温度为t中，下面层的温度为t下，面层的温度转化按照下式进行：

t20mm＝(tair-0.00618lat²+0.2289lat+42.2)×0.9545-17.78

式中，t20mm表示路表面下20mm处的温度，tair表示大气温度，lat表示纬度，所有温度单位均为℃；

t上＝t20mm，

t1＝t中＝t下＝t上-10℃。

作为本发明的进一步的优选方案，所述步骤2中的车辙试验实际温度t2，具体通过如下计算得到：

计算出技术路面在拟定的累计轴载作用次数下所得的累计轴载作用时间t1，t1按下式计算：

式中，nd为拟定的累计轴载作用次数，v为设计道路预估的车辆平均的行驶速度，单位km/h；

接着，计算出车辙试验累积的轴载作用时间t2，t2按下式计算：

式中，n为试验轮每min的碾压次数，v为试验轮在试件中央匀速行驶时的行进速度，单位mm/s，最后，再按下式计算车辙试验实际温度：

式中，与为常数因子，tg为沥青玻璃化温度下对应的加载时间，tg为沥青的玻璃化温度，可通过实验获得，根据上式可求解出车辙试验实际温度t2。

作为本发明的进一步的优选方案，所述试验轮在沥青混合料上的水平摩擦阻力f为试验轮在沥青混合料上的竖向压力的0.02倍。

作为本发明的进一步的优选方案，在所述步骤4中，在确定沥青混合料变形曲线第一拐点时，利用三次多项式对变形曲线进行拟合，然后求出二阶导数为零的点，该点的横坐标与沥青混合料变形曲线第一拐点横坐标对应。

本发明具有如下有益效果：

(1)模拟了车辆行驶过程中水平力的作用。传统的车辙试验只能反映轮胎竖向压力对于车辙变形的影响，本发明在竖向压力的基础上，通过电动机和线性永磁制动器模拟了车辆行驶过程中与路面的静摩阻力，从而更加真实地反映了沥青混合料工作时的受力状态。

(2)试验温度的设计更为合理。传统车辙试验方法试验温度统一为60℃，不能反映不同道路产生车辙的实际工作温度。本发明在设计试验温度时，充分考虑了夏季高温季节产生车辙的路面实际工作温度，同时考虑了不同道路车辆行驶速度不同对车辙变形的影响，使车辙试验与实际工程相关性更好。此外，本发明在车辙试验中引入了累计轴载作用次数，可以利用时温等效原理加剧单位时间内混合料的车辙变形，改善了其对于改性沥青混合料的适应性。

(3)评价指标更为全面，传统车辙试验的动稳定度指标只能反映车辙压密阶段的变形，本发明在原有动稳定度指标的基础上，新增了车辙变形曲线第一拐点出的变形深度作为车辙变形压密阶段的评价指标，使车辙试验的评价体系更加全面。

附图说明

图1是本发明中所使用的线性永磁制动装置的结构示意图。

其中有：1.线性永磁制动器；2.制动导体板；3.支撑柱；4.滑块；5.水平滑动导轨；6.固定基座；7.速度传感器；8.电动机箱；9.试验轮；10.试验车辙板。

具体实施方式

下面结合附图和具体较佳实施方式对本发明作进一步详细的说明。

本发明的描述中，需要理解的是，术语“左侧”、“右侧”、“上部”、“下部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，“第一”、“第二”等并不表示零部件的重要程度，因此不能理解为对本发明的限制。本实施例中采用的具体尺寸只是为了举例说明技术方案，并不限制本发明的保护范围。

在对沥青混合料车辙试验开始之前，需要先对现有的车辙试验仪做出改进，改进后的车辙试验仪包括线性永磁制动器1、支撑柱3、滑块4、水平滑动导轨5、固定基座6、速度传感器7、电动机箱8、试验轮9、试验车辙板10；支撑柱3的顶端与线性永磁制动器1的制动导体板2固定连接，线性永磁制动装置的导体板的滑动与试验轮9的水平滚动绑定，支撑柱3的底部固定连接固定基座6，且固定基座6与试验轮9的轮轴连接，车速传感器加装在固定基座6上；滑块4固定在支撑柱3上，且滑块4能够沿着水平滑动导轨5平移；电动机箱8加装在固定基座6上，电动机箱8内置电动机，用电动机代替现有车辙试验仪中的用于驱动试验轮9滚动的曲柄连杆机构，当电动机转动时，带动试验轮9沿着水平滑动导轨5方向、在实验车辙板上转动，同时车速传感器感测试验轮9的前进速度，一般的车速传感器的速度测量精度不得低于1mm/s，同时线性永磁制动装置在水平滑动导轨5上平移，此时线性永磁制动装置在水平滑动导轨5上的水平摩擦阻力为试验轮9在沥青混合料上的水平摩擦阻力，最后调整原本车辙试验仪的试验轮9上的荷载，要求改装后试验轮9与沥青混合料的接触压强保持为0.7mpa±0.05mpa。

利用上述改进后的沥青混合料车辙实验装置，提出一种改进的沥青混合料车辙试验方法，具体包括如下步骤：

步骤1、试验前的准备工作：拟定试验方案、调试车辙试验仪以及准备试件；

试验开始前，拟定好试验轮的行驶方案，将试验轮单次的碾压可以分为加速、匀速和减速3个阶段进行试验，假定匀速阶段试验轮行驶速度为v，试验轮在沥青混合料上的水平摩擦阻力为f，据此可以计算出所需线性永磁制动器磁感应强度b的大小，再根据试验轮的行驶速度方案和阻力大小，可以计算出发动机输出功率p的大小。最后，进行车辙试验仪的调试，首先按《公路工程沥青及沥青混合料试验规程jtge20-2011》t0719规定的方法测定接地压强，进行荷载校验，然后，开动仪器进行试压，利用车速传感器测量试验轮行进速度，要求与事先拟定的行驶方案一致，否则要调整磁感应强度b和发动机输出功率p，至需要在试验开始前调试好车辙试验仪就可以连续进行多次实验，不需要每次实验开始前都进行调试车辙试验仪；在本次试验中，设定匀加速和匀减速阶段加速度绝对值为444.4mm/s²，持续时间为0.6s，匀速阶段行驶速度为266.7mm/s，持续时间为0.3s，试验轮碾压一次总时间为1.5s，每min中内碾压40次，试验轮在沥青混合料上的水平摩擦阻力f为竖向压力的0.02倍，设定f全部由线性永磁制动装置提供，线性永磁制动装置的制动力fn可按下式计算：

式中，μ表示对应有效制动副的数量，r表示不同制动板的等效电阻，μ1表示对应有效制动副的数量为1，μ2表示对应有效制动副的数量为2，μk表示对应有效制动副的数量为k，r表示不同制动板的等效电阻，r1表示有效制动副的数量为1的制动板的等效电阻，r2表示有效制动副的数量为2的制动板的等效电阻，rk表示有效制动副的数量为k的制动板的等效电阻，l为磁体宽度，据此可以计算出所需线性永磁制动装置磁感应强度b的大小，再根据试验轮的行驶速度方案和水平阻力f大小，可以计算出发动机输出功率p的大小，发动机的输出功率可按下式计算：

式中，m表示试验轮及其配重的质量，a表示试验轮加速度，v表示试验轮速度。

在准备试件时，按《公路工程沥青及沥青混合料试验规程jtge20-2011》t0702的方法拌和沥青混合料，并按t0734的方法对拌和好的沥青混合料进行短期老化，最后按t0703的方法成型车辙板的试件，并按t0719规定的要求对试件进行常温养生。

步骤2、设置试验环境：拟定设置沥青混合料设计温度t1、车辙试验实际温度t2；

在拟定沥青混合料设计温度t1时，根据目标公路所在地的30年内日最高气温的平均值得到目标公路所在地的大气温度的设计值，由于目标公路所在地的大气温度向目标公路所在地的路面温度转换，将目标公路所在地的路面分为上面层、中面层和下面层，令上面层的温度为t上，中面层的温度为t中，下面层的温度为t下，面层的温度转化按照下式进行：

t20mm＝(tair-0.00618lat²+0.2289lat+42.2)×0.9545-17.78

式中，t20mm表示路表面下20mm处的温度，tair表示大气温度，lat表示纬度，所有温度单位均为℃；

t上＝t20mm，

t1＝t中＝t下＝t上-10℃；

在拟定车辙试验实际温度t2时，首先，计算出实际路面在拟定的累计轴载作用次数下所得的累计轴载作用时间t1，t1按下式计算：

式中，nd为拟定的累计轴载作用次数，v为设计道路预估的车辆平均的行驶速度，单位km/h。接着，计算出车辙试验累积的轴载作用时间t2，t2按下式计算：

式中，n为试验轮每min的碾压次数，v为试验轮在中间匀速行驶段的行进速度，单位mm/s。最后，再按下式计算车辙试验实际温度：

式中，与为常数因子，tg为沥青玻璃化温度下对应的加载时间，tg为沥青的玻璃化温度，可通过实验获得，根据上式可求解出车辙试验实际温度t2。

步骤3、开始试验：

试件保温：将试件和试模放入温度为t2的恒温室中保温(要求温度偏差不超过1℃)，保温时间为5h-12h，在试件和试验轮不行走的部位粘贴热偶温度计，热偶温度计用于监控试件温度，控制试件温度稳定在t2±0.5℃；

启动试验：将试件和试模一起固定在车辙试验仪的试验台上，试验轮在试件中央行走，且试验轮的行走方向与试件的碾压方向一致，启动车辙试验仪，电动机驱动实验轮往返行走，线性永磁制动器提供水平阻力，并开动车辙变形自动记录仪记录车辙变形曲线，本次试验时间约为1h；

步骤4、计算试验数据：计算沥青混合料的动稳定度，并计算沥青混合料变形曲线第一拐点处的车辙变形，用三次多项式拟合车辙试验的变形曲线，并求出拟合函数二阶导数为零的点，该点横坐标视作变形曲线第一拐点的横坐标，由此得到第一拐点的变形深度。

以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。